區(qū)域綜合能源供給技術分析

摘 要：為了提高區(qū)域能源利用率，達到節(jié)能環(huán)保的目的，基于多能互補的區(qū)域綜合能源供給越來越受到關注。分析了目前較為成熟的天然氣冷熱電三聯(lián)供、熱泵、蓄冷（熱）以及太陽能等4方面技術，探討了國網(wǎng)客服中心北方園區(qū)綜合能源供給項目的典型案例，展望了技術發(fā)展方向。

關鍵詞：區(qū)域綜合能源系統(tǒng);冷熱電三聯(lián)供;熱泵

引言

隨著經(jīng)濟發(fā)展，能源消費優(yōu)化問題受到高度關注。我國社會發(fā)展強調節(jié)約現(xiàn)有資源，充分利用可再生能源。區(qū)域綜合能源供給就是最有效的方法之一。[1-2]

區(qū)域綜合能源供給集電力、天然氣、熱能、冷能供應為一體，通過充分發(fā)揮各個供能系統(tǒng)的互補優(yōu)勢，提高能源使用效率和可再生能源利用占比。

1? 天然氣冷熱電三聯(lián)供技術

天然氣冷熱電三聯(lián)供是分布式能源供給系統(tǒng)，利用天然氣為用戶發(fā)電，并充分使用發(fā)電后的余熱為用戶供熱、供冷。天然氣燃燒產(chǎn)生的高品位能量用于三聯(lián)供的動力系統(tǒng)發(fā)電，動力系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量品位較低，可用于提供冷、熱等中、低品位產(chǎn)能，進而形成冷、熱、電三種能量的聯(lián)合供應。

天然氣冷熱電三聯(lián)供要求的用能特點為：天然氣供應充足，用電、用熱、用冷負荷都非常集中。夏季以空調制冷為主、伴有部分蒸汽和生活熱水需求，供冷時間長，單位面積負荷大，同時冬季供暖時間較長。應用對象組織性強，機構統(tǒng)一，便于集中控制和管理。

2? 熱泵技術

熱泵是一種將低位熱源的熱能轉移到高位熱源的裝置，通常是從自然界的空氣、水或土壤中獲取低品位熱能，經(jīng)過電力做功，成為可被利用的高品位熱能。區(qū)域綜合能源系統(tǒng)中熱泵系統(tǒng)的應用，可以有效提高綜合能源系統(tǒng)的能源利用效率。目前，熱泵主要有地源熱泵、水源熱泵和空氣源熱泵。

3? 蓄冷、蓄熱技術

蓄冷蓄熱指在區(qū)域內通過一定的方式把冷量或熱量儲存起來，在需要的時候再釋放出來加以利用，主要方式有顯熱蓄冷（熱）、潛熱蓄冷（熱）。顯熱蓄冷（熱）指利用物質具有比熱容，其內能隨著溫度降低（升高）從而儲存冷（熱）量，主要的儲存介質有水、巖石、陶瓷等蓄冷（熱）介質。潛熱蓄冷（熱）主要是利用物質發(fā)生相變時內能的變化而儲存冷（熱）量。

3.1? 蓄冷方式

蓄冷技術是指在夜間低谷電時段將區(qū)域建筑物所需的空調冷量全部或者部分以蓄能載體的形式制備并儲存起來，在非電力低谷時段替代制冷設備供冷的一種空調技術，可以起到“削峰填谷”、均衡負荷的作用。蓄冷技術根據(jù)蓄能載體的不同可分為冰蓄冷和水蓄冷。水蓄冷屬于顯熱蓄冷，每1kg水溫度升高或降低1℃會吸收或放出4.2kJ的熱量，通常水蓄冷將供回水溫差控制在5-11℃;冰蓄冷屬于潛熱蓄冷，利用冰發(fā)生相變時的溶解、凝固潛熱來儲存熱量，每1kg冰的潛熱為334kJ，約為水的比熱容的80倍。因而冰蓄冷所占據(jù)的空間比較小。水蓄冷主要應用于大型建筑，冰蓄冷除了大型建筑外，還可應用于工業(yè)和交通領域。

3.2? 蓄熱技術

蓄熱技術是以電為熱源，利用夜間低谷電加熱蓄能載體儲熱，蓄熱容器有良好的保溫性能，供白天高峰時段使用的供熱技術。蓄熱技術根據(jù)蓄能載體的不同可分為水蓄熱、相變蓄熱和固體蓄熱等。水蓄熱的蓄熱載體為常規(guī)水，受蒸發(fā)溫度所限，蓄熱溫度不能超過100℃，應用范圍主要是溫度在100℃以內的開水、工藝熱水、空調采暖等領域。相變蓄熱是利用相變材料相變時吸收或者釋放大量潛熱并保持溫度恒定的特性來實現(xiàn)蓄熱。固體蓄熱是以高比熱的鎂鐵固體蓄能合金模塊為蓄能載體來進行蓄熱。因此，相變蓄熱和固體蓄熱載體溫度都可超過100℃，除了給水加熱外還可給溫度需求更高的熱風及導熱油等提供熱源，應用范圍更廣。

4? 太陽能技術

太陽能技術的基本原理是將太陽輻射能收集起來，轉換成電能或者熱能。工業(yè)園區(qū)或者居民區(qū)閑置的屋頂或場地可供安裝太陽能光伏板或者太陽能集熱器，為區(qū)域提供部分電能、熱能，從而充分利用區(qū)域清潔能源，節(jié)約常規(guī)能源消費。

4.1? 太陽能光伏發(fā)電技術

太陽能光伏板是利用光生伏打效應發(fā)電的，即一種直接將太陽輻射能轉化為電能的發(fā)電模式。太陽或其他光源照射太陽能電池的PN結后，其內部產(chǎn)生大量自由電子并向各個方向移動，同時在原來位置上留下一個帶正電的空穴，電子接收光能后向N結移動，使得N結區(qū)帶負電，同時空穴向P節(jié)移動，使得P結區(qū)帶正電，這樣PN結兩端產(chǎn)生電壓，這就是光生伏打效應。

目前使用最多的太陽能光伏板，主要制作材質有單晶硅、多晶硅和薄膜3種。

4.2? 太陽能供熱技術

太陽能區(qū)域供熱技術采用太陽能集熱器吸收太陽輻射并將產(chǎn)生的熱能傳遞到傳熱介質，再通過集熱管網(wǎng)系統(tǒng)輸送到區(qū)域供熱熱場或換熱站，向區(qū)域熱網(wǎng)供熱，最終為熱用戶提供供暖和生活熱水所需熱量。

目前使用最多的太陽能收集裝置，主要有平板型集熱器、真空管集熱器、陶瓷太陽能集熱器和聚焦集熱器（槽式、碟式和塔式）等4種。

5? 國網(wǎng)客服中心北方園區(qū)案例

國網(wǎng)客服中心北方園區(qū)項目位于天津市，共有10棟建筑樓。

區(qū)域綜合能源供給主要技術方案如下：

（1）光伏發(fā)電：在其中8棟建筑樓定安裝多晶硅光伏組件，部分連廊安裝薄膜光伏組件，總計813kW。

（2）儲能微電網(wǎng)：由50kW×4h鉛酸儲能電池、48kW光伏發(fā)電以及40kW公共照明負荷組成。

（3）太陽能空調：太陽能空調系統(tǒng)為10號樓供冷、供暖以及提供生活熱水。10號樓頂鋪設630m3集熱器，夏季供冷時，由高溫導熱油驅動溴化鋰吸收式冷水機組制備冷凍水;冬季供熱時，通過油—水換熱器進行熱交換產(chǎn)生空調熱水。同時，配置冷水機組和空氣源熱泵作為后備冷熱源。

（4）太陽能熱水：利用太陽能集熱器制備生活熱水。在3號樓頂鋪設承壓真空管。蓄熱式電鍋爐的蓄熱水箱高溫水作為熱水補充。

（5）冰蓄冷：采用兩臺雙工況冰蓄冷機組和蓄冰盤管。

（6）地源熱泵：3臺地源熱泵放置在集中能源站，總制冷量3585kW，制熱量3801kW。

（7）蓄熱式電鍋爐：布置4臺電鍋爐和3組蓄熱水箱

（8）能源網(wǎng)運行調控平臺：對園區(qū)冷、熱、電及儲能系統(tǒng)進行運行監(jiān)測、智能學習和智能調控。

此項目搭建了以電能為中心的 “網(wǎng)-源-儲-荷”互動型、區(qū)域型綜合能源供給系統(tǒng)，綜合采用了節(jié)能儲能、移峰填谷、可再生能源利用和能源運行優(yōu)化調控等技術，實現(xiàn)每年電能替代電量1182萬kWh，節(jié)約電力5996.2kW、電量1100萬kWh，節(jié)省運行費用987萬元，取得了顯著的經(jīng)濟和環(huán)境效益。

6? 結束語

我國已經(jīng)擁有大量各類型的產(chǎn)業(yè)園區(qū)，其中部分有能源集中供給的需求，區(qū)域綜合能源供給具備了快速發(fā)展的有利條件。區(qū)域綜合能源供給技術眾多，需要根據(jù)區(qū)域條件和能源需求特點，充分考慮到經(jīng)濟性和可操作性，選擇合理的技術方案。區(qū)域綜合能源供給技術在專業(yè)領域和建設階段上均有集成化的趨勢。目前，其發(fā)展在中國剛剛起步，大規(guī)模的實踐與推廣需要更好的政策引導與專業(yè)協(xié)助。

參考文獻：

[1] 覃承禹，葉宏偉，王釗，陳卓倫，張宇翔，彭蓉.我國區(qū)域能源規(guī)劃發(fā)展現(xiàn)狀及《民用建筑區(qū)域能源規(guī)劃規(guī)程》的編制要點[J].電力需求側管理，2015，17（6）：23-25.

[2] 張曦，樊倩，鄭珊杰，蔡路茵，王倩.基于多能互補的區(qū)域能源系統(tǒng)優(yōu)化研究[J].能源研究與管理. 2018（03）：63-69.

作者簡介：

李辰（1987.10-），男，湖北省安陸市人，碩士/高級工程師，主要從事電網(wǎng)規(guī)劃工作。

（國網(wǎng)江蘇省電力有限公司經(jīng)濟技術研究院，江蘇 南京 210008）